WO2014136958A1 - ハンドエグゾスケルトン装置 - Google Patents

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WO2014136958A1
WO2014136958A1 PCT/JP2014/056032 JP2014056032W WO2014136958A1 WO 2014136958 A1 WO2014136958 A1 WO 2014136958A1 JP 2014056032 W JP2014056032 W JP 2014056032W WO 2014136958 A1 WO2014136958 A1 WO 2014136958A1
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spring
exterior
joint
fingers
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純平 荒田
ロジェ ガサート
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国立大学法人九州大学
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    • A61H2230/605—Muscle strain, i.e. measured on the user, e.g. Electromyography [EMG] used as a control parameter for the apparatus

Definitions

  • the present invention relates to a hand exoskeleton device.
  • the present invention relates to a hand-exoskeleton device using a three-layer slide spring mechanism that is attached to a human body and supports finger movement.
  • the present invention relates to a hand exoskeleton device that supports the bending and extending movement of fingers by a three-layer slide spring mechanism.
  • Non-patent document 1, Non-patent document 2 and the like are known as conventional hand-exo skeleton devices to which a link mechanism is applied.
  • Non-Patent Document 3, Non-Patent Document 4, and the like are known as an application of the wire mechanism.
  • Non-Patent Document 5, Non-Patent Document 6, and the like are known as fluid drive applications.
  • Non-Patent Document 7 is a mechanism using a three-layer connecting slide spring.
  • Kamper “A Pneumatic Glove and Immersive Virtual Reality Environment for Hand Rehabilitative Stroke After Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 18 (5), pp.551-559, 2010.
  • Kotaro Kanno Masao Akai, Kazuo Kamonda, Kengo Kajikawajima, “Development of exoskeleton grip force amplification gloves using pneumatic rubber artificial muscles,” Robotics and Mechatronics Lecture, 1P1-E15, 2009.
  • Requirements for equipment to be worn on the human body and supporting daily life movements of fingers are small and light, can be worn on the human body and can move naturally, and generates sufficient force to support movement And the like, and can be driven safely.
  • link drive As drive means for configuring such a device, link drive, wire drive, and fluid drive can be cited.
  • the link drive is a mechanism that transmits the movement of the finger to the tip through the link and drives each finger joint.
  • link driving there is a characteristic that a relatively large output is easily obtained, but on the other hand, the apparatus tends to be large. Also, play or the like is likely to occur in the link driving unit.
  • the wire drive is a mechanism for driving the joint using a wire, and the entire mechanism can be made small by making the transmission path small and thin with the wire.
  • the wire can transmit power only in the direction of the tensile force, the power unit mechanism tends to be complicated. Further, the wire is stretched and contracted.
  • Fluid drive is a method of filling the mechanism with fluid and generating drive power by changing its pressure. While a device to be worn on the body can be mounted in a small size, an actuator for compressing fluid is required.
  • the mechanism using a three-layered coupled slide spring developed in the past has features such as small size and light weight compared to link drive, wire drive, and fluid drive.
  • the structure is complicated because it has moving parts.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a hand exoskeleton device having a novel configuration for supporting the finger movement of the human body.
  • a hand exoskeleton device that is a three-layer slide spring mechanism that is driven by a driving unit and is attached to a finger, It is composed of a zeroth exterior part, a first exterior part, a second exterior part, and a third exterior part arranged in series from the tip along the longitudinal direction of the fingers,
  • the 0th exterior part and the 1st exterior part, the 1st exterior part and the 2nd exterior part, the 2nd exterior part and the 3rd exterior part are arranged in parallel in the vertical direction and are connected by the upper spring and the lower spring, respectively, forming a plurality of sets.
  • the upper spring that fixes the upper part of each exterior part has a variable length so that one end can be moved freely with respect to the finger longitudinal direction at a certain distance by a sliding mechanism.
  • the lower springs for fixing the lower part of each exterior part are respectively fixed to the exterior part at both ends thereof, In each exterior part, it is equipped with a drive spring that can slide freely only in the longitudinal direction of the fingers, The tip of the drive spring is fixed to the 0th exterior part, the other end of the drive spring is fixed to the drive shaft,
  • the upper and lower springs that connect the exterior parts, and the drive spring constitute three layers in the vertical direction, When attaching to the fingers of the human body, the 0th exterior part is located at the end of the distal interphalangeal joint, and the 1st exterior part is located between the distal interphalangeal joint and the proximal interphalangeal joint.
  • the drive shaft is driven in the longitudinal direction of the human fingers with respect to the human fingers, so that the distal interphalangeal joint, the proximal interphalangeal joint, and the metacarpophalangeal joint It is characterized by supplying a rotational force and supporting the bending and extending movements of human fingers.
  • the lengths of the upper spring and the lower spring respectively connecting the 0th exterior part, the 1st exterior part, the 2nd exterior part, and the 3rd exterior part
  • the length of the drive spring is an index that changes the size of the human body to be worn and the timing of bending each joint. The operation can be adjusted by changing these spring lengths.
  • One aspect of the present invention is a hand-exoskeleton device that is attached to a human body and supports finger movements.
  • a three-layer slide spring mechanism is used to move a single finger operation far from one finger movement. Simultaneously supply rotational force to the interphalangeal joint (DIP joint), proximal interphalangeal joint (PIP joint), and metacarpophalangeal joint (MP joint) so that the device body follows the natural movement of the human body Operate.
  • DIP joint interphalangeal joint
  • PIP joint proximal interphalangeal joint
  • MP joint metacarpophalangeal joint
  • This device is arranged on the nail side above the fingers so as to follow the fingers of the human body. Therefore, the finger side from the device is the lower side, and the opposite direction is the upper side.
  • the three-layer slide spring mechanism includes a zeroth exterior part, a first exterior part, a second exterior part, and a third exterior part arranged in series from the tip along the longitudinal direction of the finger. Is done.
  • the 0th exterior part and the 1st exterior part, the 1st exterior part and the 2nd exterior part, the 2nd exterior part and the 3rd exterior part are connected with a spring element in the up-and-down direction, respectively.
  • the lower springs for fixing the lower part of the exterior part are respectively fixed to the exterior part at both ends thereof.
  • the upper springs for fixing the upper portions of the respective exterior parts are variable lengths because the fixed ends can be freely moved in the finger longitudinal direction by the slider mechanism.
  • the lower springs that fix the lower part of each exterior part are fixed to both ends.
  • Each of the exterior parts is provided with a drive spring that can slide freely only in the longitudinal direction of the finger, the tip of the drive spring is fixed to the 0th exterior part, and the other end of the drive spring is fixed to the drive shaft.
  • the upper springs connecting the respective exterior parts, the lower springs connecting the respective exterior parts, and the drive spring constitute three layers in the vertical direction.
  • Each exterior part is fixed to each part of the finger to be worn using a flexible belt or the like.
  • the 0th exterior part is located at the end of the DIP joint
  • the 1st exterior part is located at the part between the DIP joint and the PIP joint
  • the second exterior part is located at the part between the PIP joint and the MP joint
  • the palm part is fixed respectively.
  • the 0th exterior part, the 1st exterior part, the 2nd exterior part, the 3rd exterior part, and the drive shaft are made of a material having sufficient strength with respect to the springs connecting them.
  • the drive shaft is driven in the longitudinal direction with respect to the human fingers while being attached to the human body, thereby supplying rotational force to the DIP joint, PIP joint, and MP joint, so that the natural finger It can be applied as a device that supports a gripping operation.
  • a hand exoskeleton device can be easily mounted on a human body, and uses a single linear actuator to connect a distal interphalangeal joint (DIP joint) and a proximal interphalangeal joint.
  • the gripping operation of the mounted human body can be supported by a three-layer slide spring mechanism that is a motion conversion mechanism that applies a driving force to the (PIP joint) and the interphalangeal joint (MP joint).
  • FIG. 1 shows a hand-exoskeleton system using a three-layer slide spring mechanism according to an embodiment of the present invention.
  • the hand exo skeleton device system includes a three-layer slide spring mechanism 1 and a control unit 3 that controls the driving means 2 of the three-layer slide spring mechanism 1.
  • This system is attached to a finger part of a human body and is used to support the movement of the finger part. It is also used for other repetitive motions in rehabilitation.
  • FIG. 2 is a perspective view of a mechanism model in the present embodiment
  • FIG. 3 is a perspective view of the exterior portion that is a part of the mechanism model of the present embodiment
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing a mechanism configuration of the present embodiment. is there.
  • the three-layer slide spring mechanism 1 includes a 0th exterior part 4, a first exterior part 5, a second exterior part 6, a third exterior part 7, and a drive shaft 8. Each of the exterior parts 4 to 7 is connected in series by springs 9 to 15 made of leaf springs.
  • the first exterior upper spring 9, the second exterior upper spring 10, and the third exterior upper spring 11 respectively connect the upper portions of the exterior portions 4 to 7, and the first slider mechanism 16, the second slider mechanism 17, and the second
  • Each of the three slider mechanisms 18 slides freely in the longitudinal direction of the slide spring mechanism 1, that is, in the mechanism longitudinal direction. Therefore, each of the first exterior upper spring 9, the second exterior upper spring 10, and the third exterior upper spring 11 has a variable length that can change the length of the spring that can be bent.
  • the sliding distances of the springs 9, 10, and 11 with respect to the exterior portions 4 to 7 can be limited by the stoppers 19, 20, and 21 in the slider mechanisms 16, 17, and 18, respectively.
  • the first exterior lower spring 12, the second exterior lower spring 13, and the third exterior lower spring 14 connect the lower portions of the exterior portions 4 to 7, respectively.
  • the lower springs 12, 13, and 14 are fixed to the exterior parts 4 to 7 connected to both ends thereof.
  • the drive spring 15 is inserted into each of the exterior parts 4 to 7 so as to be freely slidable only in the finger longitudinal direction, the tip of the drive spring 15 is fixed to the 0th exterior part 4, and the other end of the drive spring is , Fixed to the drive shaft 8.
  • the exterior part upper springs 9 to 11, the exterior part lower springs 12 to 14 and the drive spring 15 each constitute three layers in the vertical direction of the mechanism.
  • the drive spring 15 is provided between the exterior part upper springs 9 to 11 and the exterior part lower springs 12 to 14 in the vertical direction of the mechanism.
  • the device When fixing the device as the slide spring mechanism 1 to the finger part of the human body, the device is mounted on the nail side of the finger part, that is, the back side of the hand. Then, the 0th exterior part 4 is located at the end of the DIP joint, the 1st exterior part 5 is located at the part between the DIP joint and the PIP joint, and the second exterior part 6 is located at the part between the PIP joint and the MP joint. The third exterior part 7 is fixed to the part. *
  • Each exterior part can be fixed to each part of the finger to be worn using a flexible belt or the like.
  • FIG. 5 is an example of a mounting form of the three-layered connection spring slide mechanism 1 when a linear actuator (an example of the drive means 2) is mounted.
  • This sliding movement of the drive spring 15 is because the exterior lower springs 12 to 14 have a fixed length and the exterior lower springs 12 to 14 and the drive spring 15 are separated in the spring arrangement direction (vertical direction). Causes the bending direction of the movement.
  • the exterior upper springs 9 to 11 serve to prevent excessive deformation and buckling of the drive spring 15.
  • the operation of the drive spring 15 in the mechanism longitudinal direction is converted into the rotation direction by the spring of each joint. That is, the operation of the drive spring 15 in the mechanism longitudinal direction is accompanied by an operation in the bending direction at each joint.
  • the center of rotation of the bending motion at each joint has a sector shape due to the change in the spring length of each of the upper and lower outer springs 9 to 11, the driving spring 15, and the outer lower springs 12 to 14 that form three layers. Therefore, it is possible to make them coincide with each other by appropriately setting the dimensions of the exterior portions 4 to 7 and the springs 9 to 15 to the operation centers 22 to 24 of the approximate human finger joints to which the mechanism 1 is mounted. . It should be noted that the approximate movement centers 22 to 24 of the human hand and finger joints exist outside the three-layer slide spring mechanism 1 as shown in FIG.
  • the slider mechanisms 16 to 18 can easily realize that the spring length is variable by making a part of the spring a free end and sliding the groove in the exterior part freely.
  • the stopper is comprised by comprising one end of a spring in a T shape and providing a notch in an exterior part.
  • the stoppers in the slider mechanisms 16 to 18 are restrained from sliding movement beyond a certain level, and thus are prevented from rotating. At this time, since the driving force is transmitted to the distal joint, driving of the distal DIP joint and PIP joint is promoted as a result.
  • the first exterior lower spring 12, the second exterior lower spring 13, and the third exterior lower spring 14 are constituted by a single continuous spring, and are bonded to the exterior portions 4 to 7 to be attached to the slide spring mechanism 1. Can be configured.
  • the length of the three layers of springs arranged at the top of each joint in the device longitudinal direction is arranged according to the center of the human finger joint. Decide to do so.
  • the dimensions of the springs 9 to 15 and the exterior parts 4 to 7 and the hardness of the springs 9 to 15 are indicators that change the size of the wearer's fingers and the timing of bending each joint. Yes, the operation can be adjusted by changing these.
  • the width and thickness of each spring are determined in consideration of the balance between the joints in view of the material constituting the spring.
  • the spring width and thickness of a certain joint are reduced, the joint becomes soft and easily bent at the beginning.
  • the width and thickness of the springs of each joint are set large as a whole, the rigidity of the entire apparatus is increased, and a high torque can be generated in the joint portion.
  • the force required for driving increases. Therefore, it is necessary to design the hardness of each spring in consideration of the dimensions of the human fingers to be worn, the hardness of the joint, the support operation, and the like.
  • the spring material in a range that does not satisfy the yield stress of the spring material in order to avoid breaking the spring.
  • a driving device having an output shaft connected to the driving shaft 8 and outputting a linear motion, for example, an actuator combining a motor and a ball screw can be used.
  • the distance between the upper and lower exterior springs 9 to 11 and the drive spring 15 in the vertical direction of the mechanism can be set short. Therefore, the distance between the drive spring 15 and the exterior lower springs 12 to 14 is set to be long, and the rotational torque can be efficiently generated in the operation conversion to the rotational motion (bending motion) at each joint.
  • the drive spring has a configuration that freely slides in the longitudinal direction in the exterior portions 4 to 7, and therefore, for example, the number of mechanical components is reduced as compared with the mechanism of Non-Patent Document 7. Since it can be reduced, it can be reduced in size, weight, and simplification.
  • This device can be mounted on fingers other than the thumb of the human body, but it can also be applied to the flexion and extension of the thumb by simply configuring it as two joints.
  • the hand exoskeleton device that is small and easy to carry and supports the bending and extending movement of the finger is configured by a three-layer slide spring mechanism.
  • This device is expected to be applied to CPM (Continuous Passive Motion) training of fingers that repeats movements dynamically.
  • this device is small and lightweight, it is configured as a device that can be worn on the fingers of a human body, for example, by operating a robot (this device) using the above-mentioned electromyograph signal of a patient with peripheral neuropathy, It is possible to support daily living activities.
  • this apparatus is characterized in that bending and extension can be driven with respect to the three joints of fingers by one driving means, and a large driving force can be transmitted. Furthermore, since the apparatus main body has flexibility, it can be driven safely.
  • the hand exo skeleton device using the three-layer slide spring mechanism of the present invention can be used as a device for supporting daily life movements, such as other dynamic repetitive motion devices in rehabilitation.

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Abstract

　小型、軽量であり、人体の手指部に装着し、日常生活動作を支援することが可能なハンドエグゾスケルトン装置を提供する。　ハンドエグゾスケルトン装置は、三層のスライドばね機構により、ひとつの駆動手段によって動作変換を行うことで、ヒトの手指における中手指節間関節、近位指節間関節、遠位指節間関節について、動力を伝達し、日常生活動作を支援することができる。上記ハンドエグゾスケルトン装置によれば、従来と比較して、小型、軽量に人体の手指の把持動作を支援する装置を実現できる。上記ハンドエグゾスケルトン装置は、ひとつの駆動手段により手指の三関節について屈曲・伸展を駆動できる点と、大きな駆動力を伝達できることに特徴がある。さらに、装置本体に柔軟性を有するため，安全に駆動できる。

Description

ハンドエグゾスケルトン装置
　本発明は、ハンドエグゾスケルトン装置に関する。例えば、人体に装着し、手指動作を支援するための、三層のスライドばね機構による、ハンドエグゾスケルトン装置に関する。また、例えば、三層のスライドばね機構による手指の屈曲伸展運動を支援するハンドエグゾスケルトン装置に関する。
　身体的機能に関する医療リハビリテーションは、病気または外傷によって低下した身体機能の回復のため、病院等で施される。近年、より有効な機能回復手法の提供、機能回復の定量的評価、またはリハビリテーション従事者の負担軽減等を目的として、ロボット技術をリハビリテーションへ応用する試みがなされている。特に、ロボットを装着することにより低下した身体機能を支援し日常生活動作を支援するロボット等の試みは、活発に行われている。
　従来のハンドエグゾスケルトン装置として、リンク機構を応用したものは、非特許文献１、非特許文献２などが知られている。ワイヤ機構を応用したものとして、非特許文献３、非特許文献４などが知られている。流体駆動を応用したものとして、非特許文献５、非特許文献６などが知られている。また、非特許文献７は、三層の連結スライドばねを用いた機構である。
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　人体に装着し、手指の日常生活動作を支援するための装置の要件として、小型、軽量である点、人体に装着可能であり自然な動作が可能である点、動作支援に十分な力を発生可能である点、安全に駆動可能である点、などが挙げられる。
　このような装置を構成するための駆動手段として、従来では、リンク駆動、ワイヤ駆動、流体駆動、が挙げられる。
　リンク駆動は、手指の動作を、リンクを介して先端まで伝達し、各手指関節を駆動する機構である。リンク駆動の特色として、比較的大きな出力を得やすい特徴があるが、一方で装置が大型になりやすい。また、リンク駆動部にガタなどが発生しやすい。
　ワイヤ駆動は、ワイヤを用いて関節部を駆動する機構で、ワイヤにより伝達経路を小型、細径とすることで、機構全体を小型にすることが可能である。一方で、ワイヤは引張力方向のみに動力伝達可能であるため、動力部機構が複雑になりがちである。また、ワイヤの伸び、縮みが生ずる。
　流体駆動は、機構内部に流体を充填し、その圧力変化により駆動動力を発生させる手法である。身体に装着する装置は小型に実装可能である一方、流体の圧縮等のためのアクチュエータが必要となる。
　過去に開発された、三層の連結スライドばねを用いた機構は、リンク駆動、ワイヤ駆動、流体駆動と比較して、小型、軽量であるなどの点を有しているが、内部に複数の可動部品を有しているため、構造が複雑である。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、人体の手指動作を支援するための新規の構成から成るハンドエグゾスケルトン装置を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本発明の一態様では、駆動手段によって駆動され手指に装着される三層のスライドばね機構であるハンドエグゾスケルトン装置であって、
　手指の長手方向に沿って先端より直列に配置された第０外装部と第１外装部と第２外装部と第３外装部とから構成され、
　第０外装部と第１外装部、第１外装部と第２外装部、第２外装部と第３外装部は、上下方向に並列に配置され複数組を成す上部ばね及び下部ばねによりそれぞれ連結され、
　それぞれの外装部の上部を固定する上部ばねは、一端をスライド機構により、ある一定の距離を自在に手指長手方向に対して固定端を移動することができるように、可変長となっており、
　それぞれの外装部の下部を固定する下部ばねは、その両端においてその外装部にそれぞれ固定され、
　それぞれの外装部内には、手指長手方向についてのみ自在にスライド移動可能な駆動ばねを備え、
　駆動ばねの先端は第０外装部へ固定され、駆動ばねの他端は、駆動軸へ固定され、
　外装部を連結する上部ばね及び下部ばねと、駆動ばねとは、上下方向に三層を構成し、
　人体の手指に装着する際には、遠位指節間関節より末端部の部位に第０外装部を、遠位指節間関節と近位指節間関節と間の部位に第１外装部を、近位指節間関節と中手指節間関節と間の部位に第２外装部を、手掌部に第３外装部を、それぞれ固定し、
　人体に装着した状態で、駆動軸を人体手指に対してその人体手指の長手方向に駆動することにより、遠位指節間関節と近位指節間関節と中手指節間関節とに対して回転力を供給し、人体の手指についての屈曲伸展動作を支援することを特徴とする。
　また、本発明の一態様では、三層のスライドばね機構において、第０外装部と第１外装部と第２外装部と第３外装部とをそれぞれ連結する上部ばね及び下部ばねの長さと、駆動ばねの長さとは、装着する人体の大きさ、また各関節を屈曲させるタイミングを変化させる指標となっており、
　これらのばね長さを変更することで動作を調整可能となっている。
　本発明の一態様は、人体に装着され手指動作を支援するためのハンドエグゾスケルトン装置であり、三層のスライドばね機構により、ひとつの駆動手段のみにより、一本の手指動作に対して、遠位指節間関節（DIP関節）、近位指節間関節（PIP関節）、中手指節間関節（MP関節）へ同時に回転力を供給し、装置本体が人体の自然な動作に沿うように動作する。
　本装置は、人体の手指に沿うように手指の上方である爪側に配置される。よって、装置から手指側を下方、その逆方向を上方とする。
　本発明の一態様における三層のスライドばね機構は、手指の長手方向に沿って先端より直列に配置された第０外装部と第１外装部と第２外装部と第３外装部とから構成される。
　第０外装部と第１外装部、第１外装部と第２外装部、第２外装部と第３外装部は、それぞれ上下方向をばね要素により連結される。外装部の下部を固定する下部ばねは、その両端においてそれぞれ外装部に対して固定される。
　それぞれの外装部上部を固定する上部ばねは、スライダ機構により自在に手指長手方向に対して固定端を移動することができるため，可変長である。
　それぞれの外装部下部を固定する下部ばねは、それぞれの両端に固定される。
　それぞれの外装部内には、手指長手方向についてのみ自在にスライド移動可能な駆動ばねをそなえ、駆動ばねの先端は第０外装部へ固定され、駆動ばねの他端は、駆動軸へ固定される。
　よって、それぞれの外装部を連結する上部のばねと、それぞれの外装部を連結する下部のばねと、駆動ばねは、上下方向に三層を構成する。
　それぞれの外装部は、装着対象である指の各部位に柔軟なベルトなどを用いて固定される。このとき、DIP関節より末端部の部位に第０外装部を、DIP関節とPIP関節間の部位に第１外装部を、PIP関節とMP関節間の部位に第２外装部を、手掌部に第３外装部を、それぞれ固定する。
　第０外装部、第１外装部、第２外装部、第３外装部、駆動軸はそれぞれを連結するばねに対して、十分な強度をもつ素材で構成する。
　本構成により、人体に装着した状態で、駆動軸を人体手指に対して長手方向に駆動することにより、DIP関節と、PIP関節と、MP関節に対して回転力を供給し、手指の自然な把持動作を支援する装置として応用することが可能となる。
本発明の一実施形態に係る三層のスライドばね機構によるハンドエグゾスケルトン装置システムを示す図である。 本発明の一実施形態に係る三層のスライドばね機構モデルの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る三層のスライドばね機構モデルの一部透視図である。 本発明の一実施形態に係る三層のスライドばね機構の構成を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る三層のスライドばね機構によるハンドエグゾスケルトン装置のアクチュエータ実装例を示す図である。
　本発明の一実施形態に係るハンドエグゾスケルトン装置は、人体に容易に装着可能であり、ひとつの直動アクチュエータを用いて、遠位指節間関節（DIP関節）と、近位指節間関節（PIP関節）と、中手指節間関節（MP関節）とに対して駆動力を与える動作変換機構である三層のスライドばね機構により、装着した人体の把持動作を支援することができる。
　以下、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る三層のスライドばね機構によるハンドエグゾスケルトン装置システムを示している。
　本発明の一実施形態のハンドエグゾスケルトン装置システムは、三層のスライドばね機構１と、三層のスライドばね機構１の駆動手段２を制御するコントロール部３と、から構成される。このシステムは、人体の手指部に装着され、その手指部の動作を支援するために用いられる。またリハビリテーションでの他動的な繰り返し動作のために用いられる。
　次に、図２から図４を参照して、三層のスライドばね機構１の構成について詳しく説明する。図２は本実施形態における機構モデルの斜視図、図３は本実施形態の機構モデルの一部である外装部を透視した斜視図、図４は本実施形態の機構構成を示す概念図、である。
　三層のスライドばね機構１は、第０外装部４と、第１外装部５と、第２外装部６と、第３外装部７と、駆動軸８と、から構成される。それぞれの外装部４～７は、板ばねから成るばね９～１５により直列に連結される。
　第１外装上部ばね９、第２外装上部ばね１０、及び第３外装上部ばね１１はそれぞれ外装部４～７の上部を連結しており、第１スライダ機構１６、第２スライダ機構１７、及び第３スライダ機構１８のそれぞれにより、スライドばね機構１の長手方向すなわち機構長手方向に自在にスライドする。よって、第１外装上部ばね９、第２外装上部ばね１０、及び第３外装上部ばね１１は各々、撓むことが可能なばね長さが変化する可変長である。ただし、それぞれのスライダ機構１６、１７、１８内のストッパ１９、２０、２１により、各外装部４～７に対する各ばね９、１０、１１のスライド距離は制限可能である。
　第１外装下部ばね１２、第２外装下部ばね１３、及び第３外装下部ばね１４はそれぞれ外装部４～７の下部を連結している。そして、それらの下部ばね１２、１３、１４は、その両端部に連結される外装部４～７にそれぞれに固定されている。
　駆動ばね１５は、それぞれの外装部４～７の内部を手指長手方向にのみ自在にスライド移動可能に挿入され、駆動ばね１５の先端は第０外装部４へ固定され、駆動ばねの他端は、駆動軸８へ固定されている。
　このとき、外装部上部ばね９～１１、外装部下部ばね１２～１４、駆動ばね１５は、それぞれ機構上下方向へ三層を構成する。そして、駆動ばね１５は、機構上下方向において外装部上部ばね９～１１と外装部下部ばね１２～１４との間に設けられている。
　スライドばね機構１である本装置を人体の手指部に固定する場合、その手指部の爪側すなわち手の甲側に本装置を装着する。そして、DIP関節より末端部の部位について第０外装部４を、DIP関節とPIP関節間の部位に第１外装部５を、PIP関節とMP関節間の部位に第２外装部６を、手掌部に第３外装部７を、それぞれ固定する。　
　それぞれの外装部は、装着対象である指の各部位に柔軟なベルトなどを用いて固定可能である。
　駆動軸８を機構長手方向へ駆動することにより、DIP関節と、PIP関節と、MP関節に対して回転力を供給し、手指の自然な把持動作を支援する装置として応用することが可能となる。
　図５は、直動アクチュエータ（駆動手段２の一例）を装着したときの三層の連結ばねスライド機構１の実装形態の一例である。
　より具体的には、駆動軸８を機構本体へ近づける方向（図５における左方向）へ駆動した場合、駆動ばね１５は、同方向へ機構内部をスライド移動する。
　この駆動ばね１５のスライド移動は、外装下部ばね１２～１４が固定長であり且つ外装下部ばね１２～１４と駆動ばね１５とがばね並び方向（上下方向）に離間しているため、駆動ばね１５の曲げ方向動作を生じさせる。
　その結果として、外装上部ばね９～１１におけるばね長さがスライダ機構１６～１８により伸展することに伴い、本装置は屈曲運動を行う。
　このとき、外装上部ばね９～１１は、駆動ばね１５の過度の変形と、座屈を防止する働きをなす。
　このように、駆動ばね１５の機構長手方向への動作は、各関節部のばねにより、回転方向への動作変換を行う。すなわち、その駆動ばね１５の機構長手方向への動作は、各関節部における曲げ方向の動作を伴う。
　各関節における屈曲運動の回転動作中心は、上下に三層をなす外装上部ばね９～１１、駆動ばね１５、外装下部ばね１２～１４、が屈曲に伴うそれぞれのばね長の変化により、扇形をなして屈曲することから、機構１が装着されるおおよその人体手指関節の動作中心２２～２４に、外装部４～７、ばね９～１５の寸法を適切に設定することで、一致させることができる。なお、上記おおよその人体手指関節の動作中心２２～２４は、図５に示すように三層のスライドばね機構１の外部に存在する。
　スライダ機構１６～１８は、ばねの一部を自由端とし、外装部内の溝を自由にスライドしてばね長を可変とすることが簡便に実現できる。また、ばねの一端をＴ字型に構成し、外装部へ切り欠きを設けることで、ストッパが構成される。
　スライダ機構１６～１８内のストッパは、一定以上のスライド運動は抑制され、よって回転運動は抑制される。このとき、駆動力はより末端側の関節へ伝達するため、結果として末端側のDIP関節、PIP関節の駆動が促進される。
　第１外装下部ばね１２と、第２外装下部ばね１３と，第３外装下部ばね１４と，は一本の連続したばねで構成し、それぞれの外装部４～７と接着されてスライドばね機構１を構成可能である。
　本装置は、人体手指の屈曲進展を行うため、各関節の上部に配置される三層のばねの装置長手方向（機構長手方向）についての長さは、人体の手指関節中心に合わせて配置されるように決定する。
　本装置では、それぞれのばね９～１５と外装部４～７とのそれぞれの寸法と、それぞれのばね９～１５のかたさは、装着者の手指サイズ、各関節を屈曲させるタイミングを変化させる指標であり、これらを変更することで動作を調整可能である。
　例えば、各ばねの幅と厚みは、ばねを構成する材質を鑑み、それぞれの関節間でのバランスを考慮して決定する。ある関節のばねの幅と、厚みと、を小さくした場合は、関節が柔らかくなり、最初に屈曲しやすくなる。なお、各関節のばねの幅と、厚みと、を全体として大きく設定した場合には、装置全体の剛性が高くなり、関節部により高いトルクを発生することが可能となる。しかしながら、この場合は駆動に必要な力が増加する。よって、各ばねのかたさは、装着する人体手指の寸法、関節の硬さ，支援動作などを鑑みて設計する必要がある。
　最大に屈曲した場合において、ばね材質の降伏応力に満たない範囲で使用することがばねの破断を回避する点から好ましい。
　本発明の一実施形態の駆動手段には、駆動軸８に接続され直線運動を出力する出力軸を具備する駆動装置、例えばモータとボールネジを組み合わせたアクチュエータを用いることができる。
　なお、本構成においては、外装上部ばね９～１１と、駆動ばね１５の機構上下方向についての距離を短く設定可能である。よって、駆動ばね１５と外装下部ばね１２～１４間の距離を長く設定し、前記各関節での回転運動（曲げ運動）への動作変換において、効率的に回転トルクを生じることができる。
　以上に述べた構成によれば、図１で述べた同様の構成により、三層のスライドばね機構１を人体の手指へ装着することにより、手指の把持動作を支援するための動力伝達が可能である。
　また、本構成によれば、駆動ばねが外装部４～７内を自在に長手方向へスライドする構成を有しているため、例えば、非特許文献７の機構と比較して、機構部品点数を減らすことができるため、小型、軽量化、また、簡素化が可能である。
　本装置は人体の拇指を除く手指へ装着可能であるが、実装を簡易的に２関節として構成することで、拇指の屈曲伸展運動への適用も可能である。
　なお、本装置装着者の人体へ筋電センサを別途装着し、コントロール部３へ入力することで、筋電計信号に応じて支援動作を行うことが可能である。
　また、上述したように本実施形態では、小型で持ち運びが容易であり且つ指の屈曲伸展運動を支援するハンドエグゾスケルトン装置を、三層のスライドばね機構により構成する。本装置によって、まず他動的に動作を繰り返し行う手指のCPM （Continuous Passive Motion）訓練への応用が期待される。さらに、本装置は小型、軽量であることから、人体の手指に装着可能な装置構成とし、例えば末梢神経障害患者の上述した筋電計信号を用いてロボット（本装置）を動作させることで、日常生活動作を支援することが可能である。
　そして、本実施形態によれば、小型、軽量に人体の手指の把持動作を支援する装置を実現できる。また、本装置はひとつの駆動手段により手指の三関節について屈曲、伸展を駆動できる点と、大きな駆動力を伝達できることとに特徴がある。さらに、装置本体に柔軟性を有するため、安全に駆動できる。
　以上において、本発明を実施形態に則して説明したが、本発明は上記実施形態に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
　本出願は、2013年3月8日出願の日本特許出願No.2013-046449に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本発明の三層のスライドばね機構によるハンドエグゾスケルトン装置は、日常生活動作支援用の装置として、リハビリテーションにおける他動的の繰り返し動作装置等に利用可能である。
　１　三層のスライドばね機構
　２　駆動手段
　３　コントロール部
　４　第０外装部
　５　第１外装部
　６　第２外装部
　７　第３外装部
　８　駆動軸
　９　第1外装上部ばね
　１０　第２外装上部ばね
　１１　第３外装上部ばね
　１２　第1外装下部ばね
　１３　第２外装下部ばね
　１４　第３外装下部ばね
　１５　駆動ばね
　１６　第１スライダ機構
　１７　第２スライダ機構
　１８　第３スライダ機構
　１９　第１スライダ機構内のストッパ
　２０　第２スライダ機構内のストッパ
　２１　第３スライダ機構内のストッパ
　２２　人体手指のおおよその遠位指節間関節の動作中心
　２３　人体手指のおおよその近位指節間関節の動作中心
　２４　人体手指のおおよその中手指節間関節の動作中心

Claims (2)

  1. 　駆動手段によって駆動され手指に装着される三層のスライドばね機構であるハンドエグゾスケルトン装置であって、
    　前記手指の長手方向に沿って先端より直列に配置された第０外装部と第１外装部と第２外装部と第３外装部とから構成され、
    　前記第０外装部と前記第１外装部、前記第１外装部と前記第２外装部、前記第２外装部と前記第３外装部は、上下方向に並列に配置され複数組を成す上部ばね及び下部ばねによりそれぞれ連結され、
    　それぞれの外装部の上部を固定する前記上部ばねは、スライド機構により、ある一定の距離を自在に手指長手方向に対して固定端を移動することができるように、可変長となっており、
    　それぞれの前記外装部の下部を固定する前記下部ばねは、その両端においてその外装部にそれぞれ固定され、
    　それぞれの前記外装部内には、手指長手方向についてのみ自在にスライド移動可能な駆動ばねを備え、
    　前記駆動ばねの先端は前記第０外装部へ固定され、前記駆動ばねの他端は、駆動軸へ固定され、
    　前記外装部を連結する前記上部ばね及び前記下部ばねと、前記駆動ばねとは、上下方向に三層を構成し、
    　人体の手指に装着する際には、遠位指節間関節より末端部の部位に前記第０外装部を、前記遠位指節間関節と近位指節間関節と間の部位に前記第１外装部を、前記近位指節間関節と中手指節間関節と間の部位に前記第２外装部を、手掌部に前記第３外装部を、それぞれ固定し、
    　前記人体に装着した状態で、前記駆動軸を人体手指に対してその人体手指の長手方向に駆動することにより、前記遠位指節間関節と前記近位指節間関節と前記中手指節間関節とに対して回転力を供給し、前記人体の手指についての屈曲伸展動作を支援することを特徴とするハンドエグゾスケルトン装置。
  2. 　前記三層のスライドばね機構において、前記第０外装部と前記第１外装部と前記第２外装部と前記第３外装部とをそれぞれ連結する前記上部ばね及び前記下部ばねの長さと、駆動ばねの長さとは、装着者の手指サイズ、各関節を屈曲させるタイミングを変化させる指標となっており、
    　これらのばね長さを変更することで動作を調整可能となっている請求項１に記載のハンドエグゾスケルトン装置。
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